VLIV KONDENZACE VODNÍCH PAR NA ZMĚNY TEPELNÉ VODIVOSTI STAVEBNÍCH HMOT Ing. Ondřej Fuciman, Ph.D., Ing. Jan Škramlik, Ph.D. VUT – Fakulta stavební, Brno
Abstract Ve stavební praxi se setkáváme s případy pronikání vlhkosti do struktury materiálů stavebních konstrukcí, a se zvýšeným obsahem kapalné vlhkosti. V některých případech vznik vlhkosti způsobuje degradaci jejich tepelně izolačních schopností. V mnoha případech vlhkost ovlivňuje snížení kvality fyzikálních vlastností, což má vliv na užívání stavby a hrozí destrukce stavební konstrukce nebo změna tepelně-technických vlastností.
1. Úvod Ve stavební praxi se často setkáváme s konstrukcemi, u kterých nelze připustit hromadění vlhkosti, a naopak jsou případy, kdy zvýšení vlhkosti v průběhu určitého časového úseku nezpůsobí znehodnocení izolace a podstatné zvýšení tepelné vodivosti. V mnoha případech ovlivňuje vlhkost zhoršení některých fyzikálních vlastností, bez nichž nelze tuto hmotu dále použít, aniž by nehrozilo nebezpečí například zborcení, ztráta tepelně technických vlastností apod. Norma ČSN 730540 se zabývá pouze hromaděním difundované vlhkosti v konstrukcích. Jde o případ dovoleného hromadění vlhkosti v zimním období za podmínky, že se alespoň stejné množství v letním období vypaří. Nesleduje se, jak silná vrstva byla kondenzací zachycena a zda zvýšení vlhkosti nezpůsobí ztrátu tepelně izolačních schopností, případně úplné znehodnocení tepelně izolační vrstvy.
2. Vliv vlhkosti na tepelnou vodivost Vlhkost má na tepelnou vodivost materiálů velký vliv a je různý podle teplot a charakteru navlhčení materiálu. Zatímco u suchých materiálů není v běžných teplotních rozsazích teplota a tlak rozhodující, ukázalo se, že u vlhkých materiálů při jistých teplotách a tlacích převládá nad molekulární tepelnou vodivostí vzduchu ve vzduchových kanálcích „difúzní tepelná vodivost“, která nepříznivě ovlivňuje výslednou hodnotu. Ve skutečnosti je tedy tepelná vodivost nestálou hodnotou, která se mění u téhož materiálu s vlhkostí, teplotou a tlakem. Jedním z velmi zajímavých poznatků je skutečnost, že v průběhu difúzního procesu lze silně navlhčit hmotu či materiál, který normálně vodu nepřijímá. A jestliže ano, pak jen v omezené míře na svém povrchu do otevřených pórů a dutin. Vystavíme-li kvalitní polystyren s uzavřenými póry působení vlhkosti, vnikne tato pouze do otevřených dutin na povrchu a ve volném prostoru bez účinku odchází. Je však hodně případů, kdy po odebrání vzorku polystyrenu na stavbě bylo zjištěno více než pětinásobné zvýšení jeho váhy. Příčina spočívá v průchodu vodních par, které molekulární mříží polystyrenu procházejí. Nedostatkem výpočtů uváděných v normě je, že množství kondenzátu je chápáno pouze ve své kvantitě, aniž by byla zmínka o tom, jaké kvalitativní změny materiálu může v zimním období způsobit. Změny kvality nemusejí být vždy zanedbatelné, i když bilance kondenzované vlhkosti bude vyhovovat normě. Tyto výpočty je proto nutné chápat pouze jako
relativní. Podle skladby obvodové konstrukce a střechy může být zvýšení teplené vodivosti pro některé materiály zanedbatelné, avšak je-li intenzita difúzního toku značná, je třeba s ním počítat.
Obr.1) Různé průběhy součinitele tepelné vodivosti v závislosti na vlhkosti (funkční závislosti) Tepelná vodivost vody ve všech skupenstvích závisí na její teplotě. Teplota ovlivňuje součinitel tepelné vodivosti i suchých materiálů, a to tak, že při stoupající teplotě se její hodnota zvyšuje v oblasti kladných, ale i záporných teplot. Znalost závislosti vlhkosti a součinitele tepelné vodivosti umožňuje využít praktickou vlhkost pro výpočet praktického součinitele tepelné vodivosti. Naměřené závislosti se vyhodnocují graficko-matematickou metodou. Nejjednodušší závislost bývá lineární (čára 1 a 2 na obrázku 1). Vyjadřuje se rovnicí přímky: λu = λ s + A.u [W.m-1.K-1] (1) nebo ve tvaru γ .u [W.m-1.K-1] (2) λ w = λ s + 1 + λ 100 λw - součinitel tepelné vodivosti vlhkého materiálu [W.m-1.K-1] λs - součinitel tepelné vodivosti suchého materiálu [W.m-1.K-1] u - objemová vlhkost materiálu [% obj.] γλ - vlhkostní součinitel tepelné vodivosti vyjadřující zvýšení tepelné vodivosti v suchém stavu v % na každé procento vlhkosti [-] A - lineární konstanta získaná graficko-matematickým vztahem z naměřené závislosti λ = f (w).
Ostatní křivky na obrázku 1 jsou buď exponenciální, nebo parabolické funkce. Mohou mít však i tvar mocninového mnohočlenu: λu = λ s ± A.u ± B.u 2 ± C .u 3 ± ... [W.m-1.K-1] (3) Kromě funkcí (1), (2) a (3) se zavedly i další tvary funkčních závislostí λu = f (u): A λu = λ s + [W.m-1.K-1] (4) u λu = λ s + A u [W.m-1.K-1] (5) λu = λ s + A. u [W.m-1.K-1] (6) Tepelná vodivost se se změnou teploty mění. Platí to pro oblast kladných i záporných teplot. Změna tepelné vodivosti se však většinou projevuje až při vyšších teplotách, což se ve stavební tepelné technice prakticky neuplatňuje. Teplota materiálů obvodových konstrukcí a střech málokdy překročí hodnotu 70 až 100 °C. V případě záporných teplot je tomu jinak. Tepelná vodivost ledu je asi 4krát větší než tepelná vodivost vody. Pokud jsou všechny póry materiálu zaplněny ledem, součinitel tepelné vodivosti zmrzlého materiálu musí být mezi tepelnou vodivostí ledu (λv = 2,3 W.m-1.K-1) a tepelnou vodivostí tuhé části. Pod bodem mrazu, když se voda s tepelnou vodivostí λv = 0,59 W.m-1.K-1 mění na led, musí součinitel tepelné vodivosti zmíněného materiálu svou původní hodnotu prudce zvýšit. Čím je vlhkost vyšší, tím víc vody se mění na led a tím víc stoupne hodnota tepelné vodivosti látky. Měření tuto úvahu potvrdila. Na obrázku 2 je znázorněna změna tepelné vodivosti polystyrenu.
Obr.2) Součinitel tepelné vodivosti pěnového polystyrenu v závislosti na vlhkosti a teplotě Vývoj materiálové základny je poměrně rychlý a stavební výzkum nestačí s předstihem zpracovávat všechny požadavky projekce a nových technologií. Proto se mají dosažené výsledky zevšeobecnit do takové míry, aby výpočtové vztahy dostatečně charakterizovaly chování materiálu při změnách objemové hmotnosti, vlhkosti a teploty.
A. Polanský zpracoval všeobecné závislosti součinitele tepelné vodivosti a objemové vlhkosti pro stavební materiály a vyjadřuje je v tomto tvaru: • pro uv = 0 % (suchý materiál)
(
•
λ s = 0,0508. exp 1,385.10 −3.ρ s pro uv = 5 %
•
λu = 0,0849. exp 1,26.10 −3. ρ s pro uv = 10 %
•
λu = 0,121. exp 1,19.10 −3. ρ s pro uv = 15 %
(
(
)
(
)
)
)
[W.m-1.K-1]
(7)
[W.m-1.K-1]
(8)
[W.m-1.K-1]
(9)
λu = 0,158. exp 1,14.10 −3. ρ s [W.m-1.K-1] (10) Úpravou těchto vztahů můžeme napsat výslednou rovnici tepelné vodivosti v závislosti na vlhkosti a objemové hmotnosti 1, 069 λu , ρ = 0,05047 + 0,005989.u v . exp ρ s . 1,38.10 −3 − 2.10 −4.u v [W.m-1.K-1] (11)
[ (
)]
J. S. Cammerer vyjádřil závislost součinitele tepelné vodivosti a vlhkosti pomocí vlhkostního součinitele tepelné vodivosti γλ z rovnice (2) γ .u [W.m-1.K-1] λu = λ s .1 + λ 100 Hodnoty λs γλ se dosazují z norem, příp. z údajů předkládaných výrobci.
(12)
3. Rozbor vlhkostního součinitele tepelné vodivosti Přenos tepla se ve vlhkých materiálech s kladnými teplotami realizuje třemi způsoby: • v tuhé látce λc, • v kapalině λv, • ve směsi vzduchu a páry λa. Hodnota vlhkostního součinitele tepelné vodivosti γλ vyjadřuje zvýšení měrné tepelné vodivosti v suchém stavu v procentech na každé procento hmotnostní (objemové) vlhkosti. Problematika je zaměřena na základní výzkum, který předpokládá aplikaci elementárních zákonitostí, a je podkladem pro další postup, který je v současné době předmětem dalšího zkoumání. Záměrně je proto následující analýza zjednodušena pro vytvoření podkladu k následnému modelování vlhkostních procesů, které se dají v konkrétních podmínkách stavby předpokládat. Ve skutečnosti se zde jedná o jednorozměrný případ sloužící k vytvoření podkladu pro další stupeň zkoumání transportu vlhkosti – v nestacionárních stavu. Současné poznatky budou následně publikovány.
3.1 Tepelná vodivost suchého materiálu Přenos tepla v suchém materiálu probíhá v jeho tuhé složce a ve směsi vzduchu a páry v pórech. λ s .V = λ a .Va + λ c .Vc [W.m2.K-1] (13) -1 -1 λs - součinitel tepelné vodivosti suchého materiálu [W.m .K ] V - celkový objem látky [m3] λa - součinitel tepelné vodivosti směsi vzduchu a páry [W.m-1.K-1]
Va - objem směsi vzduchu a páry [m3] λc - součinitel tepelné vodivosti tuhé složky [W.m-1.K-1] Vc - objem tuhé složky [m3] Zavedeme-li pórovitost látky [-] p: Va Vc = p; = 1− p V V λ s = λ a . p + λ c .(1 − p )
[-]
(14)
[W.m-1.K-1]
(15)
3.2 Tepelná vodivost vlhkého materiálu Na rozdíl od suchého materiálu probíhá přenos tepla v materiálu vlhkém prostřednictvím nejen jeho tuhé složky a směsi vzduchu a páry v pórech, ale také prostřednictvím vody (případně ledu) vyskytující se v pórech látky. λ w .V = λ c .Vc + λ a .(Va − Vv ) + λ v .Vv [W.m2.K-1] (16) λw - součinitel tepelné vodivosti vlhkého materiálu [W.m-1.K-1] V - celkový objem vlhké látky [m3] λa - součinitel tepelné vodivosti směsi vzduchu a páry [W.m-1.K-1] Va - objem směsi vzduchu a páry [m3] λc - součinitel tepelné vodivosti tuhé složky [W.m-1.K-1] Vc - objem tuhé složky [m3] λv - součinitel tepelné vodivosti vody (ledu) [W.m-1.K-1] Vv - objem tuhé vody (ledu) [m3] (Va – Vv) - objem směsi vzduchu a páry v pórech zmenšený o objem vody (ledu) [m3]. V V − Vv V λ w = λc . c + λ a . a + λv . v [W.m-1.K-1] (17) V V V Dosazením (14) do rovnice (17) a úpravou dostaneme V λ w = λc .(1 − p ) + λ a . p + v .(λv − λ a ) [W.m-1.K-1] (18) V Z definice hmotnostní a objemové vlhkosti: ρ .V V w. ρ s w= v v ⇒ v = [-] (19) ρ s .V V ρv V u= v [-] (20) V w - hmotnostní vlhkost [%] u - objemová vlhkost [%] ρs - objemová hmotnost suchého materiálu [W.m-1.K-1] ρv - objemová hmotnost vody (ledu) [W.m-1.K-1] Dosazením (19) a (20) do rovnice (18) dostaneme w.ρ s λ w = λc .(1 − p ) + λ a . p + .(λv − λ a ) [W.m-1.K-1] (21) ρv λ w = λc .(1 − p ) + λ a . p + u.(λv − λ a ) [W.m-1.K-1] (22)
Dosazením (15) do rovnic (21) a (22) dostaneme λw = λs +
w.ρ s .(λ v − λ a ) ρv
λ w = λ s + u.(λv − λ a )
[W.m-1.K-1]
(23)
[W.m-1.K-1]
(24)
3.3 Porovnání s vlhkostním součinitelem tepelné vodivosti J. S. Cammerer vyjádřil závislost součinitele tepelné vodivosti a vlhkosti pomocí vlhkostního součinitele tepelné vodivosti γλ. Porovnání lze provést pomocí jak hmotnostní, tak objemové vlhkosti, a to aplikací rovnice (2) λ w = λ s .(1 + γ λw .w ) [W.m-1.K-1] λu = λ s .(1 + γ λu .u ) [W.m-1.K-1] (25) Dosazením (23) a (24) dostaneme w.ρ s λs + .(λv − λ a ) = λ s .(1 + γ λw .w) ρv w.ρ s γ λw .w = .(λ v − λ a ) [-] λ s .ρ v ρs γ λw = .(λv − λ a ) [-] λ s .ρ v
λ s + u.(λv − λ a ) = λ s .(1 + γ λu .u ) u .(λ v − λ a ) [-] λs (λ − λa ) = v [-] λs
(26)
γ λu .u =
(27)
γ λu
(28)
4. Vliv kondenzace vodních par na tepelnou vodivost Názory na kondenzaci vlhkosti ve stavebních konstrukcích vlivem difúze vodních par se různí. Převládá však správně názor, že není nutné bránit jakékoli kondenzaci, ale je nutno ji udržovat v určitých mezích. U jednoplášťových plochých střech s klasickým pořadím vrstev se nedá prakticky zajistit, aby vlhkost procházející konstrukcí ve formě páry uvnitř této konstrukce nekondenzovala. Vysoký difúzní odpor krytiny způsobuje kondenzaci těsně pod ní, kde se ve většině případů nalézá tepelná izolace. Vodní pára prochází molekulární mříží i jinak nenasákavé látky. Tato pára pak v uzavřených pórech může kondenzovat a vlhkost tepelné izolace roste, aniž bychom to očekávali. Výpočty dle ČSN 730540 se zabývají pouze kvantitativním zhodnocením vlhkosti. Kvalitativní vliv vlhkosti, který ovlivňuje tepelně izolační vlastnosti materiálů, může způsobit neřízený nárůst vlhkosti, neboť se změnou tepelně izolačních vlastností se v čase mění teplotní a tím i difúzní schéma konstrukce, snižuje se tepelný odpor. Na testovacím vzorku vláknité tepelné izolace o tloušťce 100 mm s teplotním spádem 35 °C v kladném rozsahu teplot se výsledky teoretického výpočtu se započítáním působení vlhkostního součinitele tepelné vodivosti γλ liší od klasického výpočtu uvedeného v normě až o 7 % ve smyslu nárůstu množství kondenzátu, a to pouze za krátký časový úsek 7 dnů. Tepelný odpor tohoto vzorku klesl o 8 %. Při teplotách nižších než 0°C dochází k mnohem větším rozdílům. Je to způsobeno tím, že hodnota součinitele tepelné vodivosti látek λ závisí mimo jiné i na teplotě. Teplota sice nemá zásadní vliv, ale dojde-li k fázové změně látky, pak se tepelná vodivost prudce zvýší, a to v mnoha případech řádově až o stovky procent.
V praxi nastává kondenzace vodní páry u jednoplášťových plochých střech s klasickým pořadím vrstev v zimním období těsně pod krytinou, kde je téměř vždy teplota nižší než 0°C. Kondenzát se tady nevylučuje ve formě vody, ale ledu.
Literatura 1. MRLÍK, F. Vlhkost ve stavebních hmotách, konstrukcích a budovách, ČVUT Praha 1972 2. MRLÍK, F. Vlhkostné problémy stavebných materiálov a konštrukcií, ALFA Bratislava 1985 3. MRLÍK, F. Stavební tepelná technika a akustika, VUT Brno 1984 4. HALAHYJA, M., CHMÚRNY, I., STERNOVÁ, Z. Stavebná tepelná technika, JAGA Bratislava 1998 5. ČSN 73 0540 – Tepelná ochrana budov, 2002 6. ČSN 73 1901 – Navrhování střech, 1998
